CN111283687B - 一种机器人关节位置控制系统及其动态力矩的反馈补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机器人关节位置控制系统及其动态力矩的反馈补偿方法，属于机器人关节运动控制技术领域。该方法利用力矩传感器信号对位置控制系统进行反馈补偿，并串联设定的微分放大器，以提升机器人位置控制系统的阻尼比，同时不降低系统增益及固有频率，通过调整动态力矩补偿器反馈系数，获得所需阻尼比。本发明可改善机器人关节位置控制系统性能，为机器人整机运动控制提供理论基础。

Description

一种机器人关节位置控制系统及其动态力矩的反馈补偿方法
技术领域
本发明属于机器人关节运动控制技术领域，具体涉及一种机器人关节位置控制系统及其动态力矩的反馈补偿方法。
背景技术
随着人工智能与互联网的快速发展，足式机器人控制技术突飞猛进，被广泛应用于教育、工业、医疗、交通、安防、电力等诸多领域。足式机器人关节常采用的驱动方式有电机驱动、液压驱动和气动驱动。电机驱动具有结构紧凑、控制简便、传动效率高、控制精度高等优势，是目前机器人领域最常用的驱动方式。电机驱动的足式机器人关节通常由伺服电机、齿轮减速器和编码器等组成，并采用典型的位置控制系统，其控制系统的好坏，是机器人整机运动控制性能的重要基础之一。
目前，机器人及机械臂等关节位置控制系统常采用有PD控制、变结构控制、自适应控制等控制方法。其中，PD控制是目前工程项目中最常用的控制方法之一，其基于输入控制系统的误差量进行调节，无需对被控对象进行建模，同时调试简单且易于实现，但在单一地采用PD控制时，为追求较好的控制性能，往往控制参数设置过大，易导致系统不稳定。该方法仍要搭配其他补偿控制方法，才能使其控制性能更佳。而变结构控制、自适应控制等多种先进控制方法，虽然能改善位置控制系统性能，但控制方法模型比较复杂，其研究工作多为仿真分析或仅限于实验室完成。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种机器人关节位置控制系统及其动态力矩的反馈补偿方法，以提升机器人位置控制系统的阻尼比，改善机器人关节位置控制系统性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，将关节端实际力矩引入变形后的关节位置控制系统反馈补偿中，再串联上微分放大器，构成包含动态力矩反馈回路和关节位置闭环回路的关节位置控制系统，调整关节位置控制系统的动态力矩反馈系数，从而改变系统阻尼系数，提高位置控制系统的阻尼比。
进一步，所述关节位置控制系统的开环传递函数为：
Figure GDA0002841872460000021
其中，Ko为变形后的关节位置控制系统开环增益，ω为变形后的关节位置控制系统的二阶振荡环节固有频率，ξ为变形后的关节位置控制系统二阶振荡环节阻尼比。
更进一步，所述二阶振荡环节的阻尼比
Figure GDA0002841872460000022
其中，Ktf为动态力矩反馈系数。
进一步，所述微分放大器的传递函数为：
Figure GDA0002841872460000023
其中，TB为常系数。
进一步，所述变形后的关节位置控制系统由开环增益、二阶振荡环节和积分环节串联而成。
更进一步，所述关节位置控制系统由伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器以及控制器组成，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性连接，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，绝对值编码器安装关节端负载处，用于检测关节端实际位置。
更进一步，所述伺服电机内部安装有电流传感器，用于检测伺服电机实际电流。
更进一步，所述实际电流与给定电流比较做差得到电流误差量，再经过控制器II调节，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；所述实际位置与给定位置比较做差得到位置误差量，再经过控制器I调节以及内部电流环配合，控制关节位置输出，形成外部位置环。
更进一步，所述关节位置控制系统进行等效变换、初变形和次变形，简化后得到变形后的关节位置控制系统。
本发明的有益效果为：本发明的位置控制系统采用力矩传感器进行反馈补偿，并串联微分放大器，构成动态力矩补偿器，在不改变系统开环增益和固有频率的同时，通过改变动态力矩反馈系数，适当地改变系统阻尼系数，以提高位置控制系统的阻尼比，改善机器人关节位置控制系统性能，为机器人整机运动控制提供理论基础。本发明无需建立复杂的数学模型，应用简单、调试方便，特别适用于机器人工程项目中。
附图说明
图1为本发明所述机器人关节位置控制系统图；
图2为本发明所述机器人关节位置控制系统原理图；
图3为本发明初变形的关节位置控制系统框图；
图4为本发明次变形的关节位置控制系统框图；
图5为本发明变形后的关节位置控制系统框图；
图6为本发明加入动态力矩反馈的关节位置控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1为本发明机器人关节位置控制系统图，机器人关节位置控制系统由伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器以及控制器组成，其中伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性连接，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，力矩传感器用于检测关节端实际力矩，绝对值编码器安装关节端负载处，用于检测关节端实际位置，伺服电机内部安装有电流传感器，用于检测伺服电机实际电流。
该位置控制系统中，通过给定电流与实际电流比较做差得到电流误差量，再经过控制器II调节，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；通过给定位置与实际位置比较做差得到位置误差量，再经过控制器I调节以及内部电流环配合，控制关节位置输出，形成外部位置环。
根据机器人关节位置控制系统原理图，机器人位置控制系统数学建模如下：
伺服电机采用电流闭环，其输出电压Uc为：
Uc＝Ka(ir-KIia) (1)
其中，Ka为电流环控制参数，ir为电流环输入指令，KI为伺服电机电路环反馈系数，ia为实际电流值；电流环输入指令ir由关节位置误差Eθ与PD控制器参数KPD相乘得到，关节位置误差Eθ由关节给定位置θref与关节端实际位置θact相减得到；
电压平衡方程为：
Figure GDA0002841872460000031
其中，E为伺服电机反电动势，且
Figure GDA0002841872460000032
n为齿轮减速器减速比，Kv为伺服电机速度反馈系数，
Figure GDA0002841872460000033
为关节端实际速度，L为伺服电机电感，R为伺服电机电阻；
伺服电机输出力矩为：
Tm＝iaKt (3)
其中，Kt为伺服电机力矩系数。
由于力矩传感器刚度较大，因此忽略其弹性形变，则电机输出端与关节端实际力矩输出之间的关系为：
Ttor＝nTm (4)
其中，Tm为伺服电机输出力矩，Ttor为关节端实际力矩；
关节端转矩平衡方程为：
Figure GDA0002841872460000041
其中，Jm为折算到关节端负载上的总转动惯量，为负载、力矩传感器、齿轮减速器和伺服电机以及其他元件的折算转动惯量和，Bm为折算到关节端负载上的总粘性阻尼系数，为负载、齿轮减速器和伺服电机的折算粘性阻尼系数和，G为关节端重力项；对于关节端重力项G，通过重力补偿等方法消除重力项对系统输出的影响(现有技术)，本发明不考虑重力项的影响。
联立公式(1)-(5)，并经过拉普拉斯变换后，建立机器人关节位置控制系统原理框图，如图2所示。
对图2进行等效变换，将比较点A后移(跨越Ka)至比较点B处，得到初变形的关节位置控制系统框图，如图3所示。
由于图3中的闭环1为典型的闭环反馈回路，按照闭环反馈的简化规则进行整理，得到次变形的关节位置控制系统框图，如图4所示。
图4中的闭环2也为典型的闭环反馈回路，按照闭环反馈的简化规则进行整理，并将其简化成一个二阶振荡环节和一个积分环节串联。另外，关节端实际力矩Ttor可通过关节端实际位置θact逆向推导得到(实际力矩为Ttor＝(Jms2+Bms)θact)，最终得到变形后的位置控制系统原理框图，如图5所示。
图5中变形后的关节位置控制系统的开环传递函数为：
Figure GDA0002841872460000042
式中：系统开环增益
Figure GDA0002841872460000051
二阶振荡环节的固有频率
Figure GDA0002841872460000052
二阶振荡环节的阻尼比
Figure GDA0002841872460000053
将力矩传感器采集的关节端实际力矩引入变形后的关节位置控制系统反馈补偿中，再串联上微分放大器，从而构成动态力矩补偿器。其中，微分放大器的传递函数为：
Figure GDA0002841872460000054
式中，TB为常系数，并设定TB＝Jm/Bm。
在变形后的关节位置控制系统中加入动态力矩补偿器之后，设定动态力矩反馈系数为Ktf，此时的关节位置控制系统包含内环和外环两部分回路，内环为动态力矩反馈回路，外环为关节位置闭环回路，如图6所示。
图6中的动态力矩反馈回路为典型的闭环反馈回路，求出其闭环传递函数，即加入动态力矩反馈的关节位置控制系统的开环传递函数为：
Figure GDA0002841872460000055
将TB＝Jm/Bm代入上式，并对分母中的Jms2+Bms进行变形以凑成约分项，再进行整理得到加入动态力矩反馈的关节位置控制系统的开环传递函数为：
Figure GDA0002841872460000056
对式(9)进行同类项整理，最终得到加入动态力矩反馈的关节位置控制系统开环传递函数为：
Figure GDA0002841872460000061
其中，系统开环增益为Ko′＝Ko，二阶振荡环节的固有频率ω′＝ω，二阶振荡环节的阻尼比
Figure GDA0002841872460000062
由公式(10)可以看出，加入动态力矩补偿器之后，位置控制系统开环增益及其固有频率并未改变，但系统阻尼比可以根据反馈系数为Ktf进行任意调整。因此，通过改变动态力矩反馈系数，适当地改变系统阻尼系数，进而提高位置控制系统的稳定性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，将关节端实际力矩引入变形后的关节位置控制系统反馈补偿中，再串联上微分放大器，构成包含动态力矩反馈回路和关节位置闭环回路的关节位置控制系统，调整关节位置控制系统的动态力矩反馈系数，从而改变系统阻尼系数，提高位置控制系统的阻尼比；
所述关节位置控制系统的开环传递函数为：
Figure FDA0002841872450000011
其中，Ko为变形后的关节位置控制系统开环增益，ω为变形后的关节位置控制系统的二阶振荡环节固有频率，ξ为变形后的关节位置控制系统二阶振荡环节阻尼比，Ktf为动态力矩反馈系数，Jm为折算到关节端负载上的总转动惯量，K′o为加入动态力矩补偿器后的关节位置控制系统开环增益，ω′为加入动态力矩补偿器后的关节位置控制系统二阶振荡环节固有频率，ξ′为加入动态力矩补偿器后的关节位置控制系统二阶振荡环节阻尼比。
2.根据权利要求1所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述加入动态力矩补偿器后的关节位置控制系统二阶振荡环节的阻尼比
Figure FDA0002841872450000012
3.根据权利要求1所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述微分放大器的传递函数为：
Figure FDA0002841872450000013
其中，TB为常系数。
4.根据权利要求1所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述变形后的关节位置控制系统由开环增益、二阶振荡环节和积分环节串联而成。
5.根据权利要求4所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述关节位置控制系统由伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器以及控制器组成，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性连接，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，绝对值编码器安装关节端负载处，用于检测关节端实际位置。
6.根据权利要求5所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述伺服电机内部安装有电流传感器，用于检测伺服电机实际电流。
7.根据权利要求6所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述实际电流与给定电流比较做差得到电流误差量，再经过控制器II调节，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；所述实际位置与给定位置比较做差得到位置误差量，再经过控制器I调节以及内部电流环配合，控制关节位置输出，形成外部位置环。
8.根据权利要求5-7任一项所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法，其特征在于，所述关节位置控制系统进行等效变换、初变形和次变形，简化后得到变形后的关节位置控制系统。
9.一种实现权利要求1-8任意一项权利要求所述的机器人关节位置控制系统动态力矩的反馈补偿方法的机器人关节位置控制系统，其特征在于，包括动态力矩反馈回路和关节位置闭环回路。
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